KR20160139256A - Catalyst layer for fuel cell, and membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell including the same - Google Patents
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Abstract
Description
연료 전지용 촉매층, 그리고 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지에 관한 것이다. A catalyst layer for a fuel cell, a membrane-electrode assembly for a fuel cell including the same, and a fuel cell.
연료 전지는 메탄올, 에탄올, 천연 기체 등과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소 및 수소 기체와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4 내지 10 배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 백업용 전원, 이동용 전원, 산업용 전원 및 자동차 동력원으로서 주목받고 있다. A fuel cell is a power generation system that converts the chemical reaction energy of hydrogen and hydrogen gas contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol, natural gas, etc. directly into electrical energy. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy. It has the advantage of being able to output a wide range of output by stacking the unit cells by stacking them. The fuel cell has an energy density of 4 to 10 times , It is attracting attention as a backup power source, a mobile power source, an industrial power source, and an automobile power source.
연료 전지의 대표적인 예로는, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 등을 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)라 한다. 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다. 상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있다. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), a direct oxidation fuel cell, and the like. When methanol is used as the fuel in the direct oxidation fuel cell, it is referred to as a direct methanol fuel cell (DMFC). Direct oxidation fuel cells have lower energy density than polymer electrolyte fuel cells, but are easier to handle and operate at lower temperatures, and can be operated at room temperature. In particular, they do not require a fuel reformer. The polymer electrolyte fuel cell has advantages of high energy density and high output.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(MEA)와 세퍼레이터로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화 전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명 "공기극" 또는 "환원 전극"이라 한다)이 위치하는 구조를 가진다. In this fuel cell system, the stack which substantially generates electricity has a structure in which several to ten unit cells are formed of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator. The membrane-electrode assembly is referred to as an anode electrode (also referred to as a "fuel electrode" or an "oxidizing electrode") and a cathode electrode (a so-called "air electrode" or a "reducing electrode") with a polymer electrolyte membrane containing a proton- ) Are located.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어 수소이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 상기 산화제, 수소이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다. The principle of generating electricity in the fuel cell is that the fuel is supplied to the anode electrode as the fuel electrode and adsorbed on the catalyst of the anode electrode and the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons, And the hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are transferred to the cathode electrode. The oxidant is supplied to the cathode electrode, and the oxidant, the hydrogen ion and the electrons react with each other on the catalyst of the cathode electrode to generate electricity while generating water.
한편, 연료 전지의 성능 확보를 위해서는 연료 공급, 물 배출, 수소이온 전달 등 여러 기능들이 잘 수행되어야 하지만, 이러한 기능들은 서로 트레이드 오프(trade off) 특성을 가지므로 성능 확보에 한계가 있다.Meanwhile, in order to secure the performance of the fuel cell, various functions such as fuel supply, water discharge, and hydrogen ion transfer should be performed well. However, these functions have trade-off characteristics,
일 구현예는 연료의 원활한 공급, 물의 배출, 수소이온 전달 등의 여러 기능을 동시에 수행함으로써 전지 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 촉매층을 제공한다.One embodiment provides a catalyst layer for a fuel cell capable of improving cell performance by simultaneously performing various functions such as smooth supply of fuel, discharge of water, and hydrogen ion transfer.
다른 일 구현예는 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.Another embodiment provides a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the catalyst layer.
또 다른 일 구현예는 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지를 제공한다.Another embodiment provides a fuel cell comprising the membrane-electrode assembly.
일 구현예는 상부 표면 및 하부 표면을 가지고, 상기 상부 표면은 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역 보다 이오노머 함유량이 적고, 상기 제1 영역은 상기 상부 표면의 총 면적에 대하여 10% 내지 50%로 포함되는 연료 전지용 촉매층을 제공한다. An embodiment includes a top surface and a bottom surface, wherein the top surface includes a first region and a second region, wherein the first region has a lower ionomer content than the second region, To 10% to 50% of the total area of the catalyst layer.
상기 제1 영역은 상기 제2 영역보다 이오노머 함유량이 2배 내지 10배 적을 수 있다. The first region may have an ionomer content 2 to 10 times less than the second region.
상기 제1 영역은 다공성일 수 있다.The first region may be porous.
상기 제1 영역은 30 부피% 내지 70 부피%의 공극율을 가질 수 있다. The first region may have a porosity of 30% by volume to 70% by volume.
상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 서로 상기 하부 표면으로부터의 높이 차이를 가질 수 있고, 상기 높이 차이는 1.0 ㎛ 내지 3.0 ㎛ 일 수 있다. The first region and the second region may have a height difference from the lower surface, and the height difference may be from 1.0 mu m to 3.0 mu m.
상기 제1 영역은 상기 제2 영역 보다 상기 하부 표면으로부터 더 높은 곳에 위치할 수 있다.The first region may be located higher than the second region from the lower surface.
다른 일 구현예는 서로 대향하여 위치하는 캐소드 전극과 애노드 전극; 및 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극의 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극은 각각 전극 기재, 그리고 상기 전극 기재 위에 위치하고 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.Another embodiment includes a cathode electrode and an anode electrode positioned opposite to each other; And a polymer electrolyte membrane interposed between the cathode electrode and the anode electrode, wherein the cathode electrode and the anode electrode each comprise an electrode substrate and a membrane electrode assembly for a fuel cell disposed on the electrode substrate and including the catalyst layer do.
또 다른 일 구현예는 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 발생시키는 개질부; 상기 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하고, 개질부로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스가 산화제와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택; 및 산화제를 상기 개질부 및 스택으로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a fuel supply system comprising: a fuel supply unit for supplying a mixed fuel in which fuel and water are mixed; A reforming unit for reforming the mixed fuel to generate a reformed gas containing hydrogen gas; A stack including a membrane electrode assembly and a separator positioned on both sides of the membrane electrode assembly, wherein the reforming gas containing hydrogen gas supplied from the reformer causes an electrochemical reaction with the oxidant to generate electrical energy; And an oxidant supply part for supplying the oxidant to the reforming part and the stack.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other details of the embodiments of the present invention are included in the following detailed description.
연료의 원활한 공급, 물의 배출, 수소이온 전달 등의 여러 기능을 동시에 수행함으로써, 성능이 향상된 연료 전지를 구현할 수 있다. The performance of the fuel cell can be realized by simultaneously performing various functions such as smooth supply of fuel, discharge of water, and hydrogen ion transfer.
도 1은 일 구현예에 따른 연료 전지용 촉매층의 단면도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 연료 전지용 촉매층의 표면을 나타내는 평면도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 촉매층의 형성 과정을 순차적으로 보여주는 개략도이다.
도 4는 일 구현예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리(MEA)를 나타낸 개략도이다.
도 5는 일 구현예에 따른 연료 전지의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 6은 일 구현예에 따른 연료 전지의 스택을 도시한 분해 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 비교예 1 및 실시예 1에 따른 촉매층을 위에서 내려다본 주사전자현미경(SEM) 사진으로서, 500 배율을 나타낸다.
도 8a 및 도 8b는 각각 비교예 1 및 실시예 1에 따른 촉매층의 측면을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 비교예 1 및 실시예 1에 따른 촉매층의 측면에서 높이 차이를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 10은 실시예 1에 따른 촉매층을 위에서 내려다본 주사전자현미경(SEM) 사진으로서, 10000 배율을 나타낸다.
도 11a 및 도 11b는 실시예 1에 따라 각각 애노드 및 캐소드 전극 평가 후 해체된 촉매층의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 12는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료 전지의 성능 평가 결과를 나타낸 그래프이다.1 is a cross-sectional view of a catalyst layer for a fuel cell according to one embodiment.
2 is a plan view showing a surface of a catalyst layer for a fuel cell according to one embodiment.
FIG. 3 is a schematic view sequentially illustrating a process of forming a catalyst layer according to an embodiment. Referring to FIG.
4 is a schematic view showing a membrane-electrode assembly (MEA) for a fuel cell according to one embodiment.
5 is a schematic view showing the overall configuration of a fuel cell according to one embodiment.
6 is an exploded perspective view showing a stack of fuel cells according to one embodiment.
7A and 7B are scanning electron microscope (SEM) photographs of a catalyst layer according to Comparative Example 1 and Example 1, respectively, viewed from above, showing a magnification of 500. FIG.
8A and 8B are scanning electron microscope (SEM) photographs showing side surfaces of the catalyst layers according to Comparative Examples 1 and 1, respectively.
FIGS. 9A and 9B are scanning electron microscope (SEM) photographs showing the height difference on the side of the catalyst layer according to Comparative Example 1 and Example 1, respectively.
10 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the catalyst layer according to Example 1 taken from above and showing a magnification of 10,000.
11A and 11B are scanning electron microscope (SEM) photographs of the catalyst layers disassembled after evaluation of anode and cathode electrodes, respectively, according to Example 1. Fig.
12 is a graph showing the results of performance evaluation of the fuel cell according to Example 1 and Comparative Example 1. Fig.
이하 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.
본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.It is to be understood that where a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" another portion, unless stated otherwise in this specification, .
연료 전지용 촉매층은 주로 촉매 및 이오노머를 포함한다. 이러한 촉매층은 연료의 원활한 공급 기능, 물의 배출 기능, 수소이온의 전달 기능, 전자의 전달 기능 등 다양한 기능의 수행을 통하여 연료 전지의 성능을 확보할 수 있다. 그러나 위 기능들은 서로 트레이드 오프(trade off) 특성을 가지므로, 종래의 촉매층에서는 위 다양한 기능을 동시에 수행하기가 어렵다. 예를 들면, 수소이온의 전달을 원활히 하기 위해 상기 이오노머의 양을 늘리면 연료의 공급이 원활하게 되지 못하며, 물 배출을 위해 다공성 구조를 형성하게 되면 이오노머 커버리지(coverage)가 부족하여 수소이온의 전달이 원활하게 되지 못한다.The catalyst layer for a fuel cell mainly comprises a catalyst and an ionomer. Such a catalyst layer can secure the performance of a fuel cell by performing various functions such as a smooth supply function of fuel, a discharge function of water, a transfer function of hydrogen ion, and an electron transfer function. However, since the above functions have trade off characteristics, it is difficult to perform various functions simultaneously in the conventional catalyst layer. For example, if the amount of the ionomer is increased to smooth the transfer of the hydrogen ions, the supply of the fuel can not be smoothly performed. If the porous structure is formed for discharging water, the ionomer coverage is insufficient, It does not work smoothly.
일 구현예에 따르면, 촉매층의 표면을 서로 다른 이종(異種)의 영역으로 구분하여 텍스처(texture)화 함으로써, 서로 구분된 영역은 각기 다른 기능을 수행하도록 만든다. 이에 따라, 표면이 텍스처화된 구조를 가지는 촉매층은 연료의 원활한 공급, 물 배출, 수소이온 전달 및 전자 전달의 여러 기능을 동시에 원활히 수행할 수 있고, 이러한 촉매층을 연료 전지에 적용한 경우 우수한 전지 성능을 확보할 수 있다.According to one embodiment, the surface of the catalyst layer is divided into different different regions to texture the regions so that different regions perform different functions. Accordingly, the catalyst layer having a textured surface can smoothly perform various functions of smooth fuel supply, water discharge, hydrogen ion transfer, and electron transfer at the same time. When such a catalyst layer is applied to a fuel cell, .
이하에서는 구체적으로 일 구현예에 따른 연료 전지용 촉매층에 대해 도 1 및 2를 참고하여 설명한다.Hereinafter, a catalyst layer for a fuel cell according to one embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.
도 1은 일 구현예에 따른 연료 전지용 촉매층의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a catalyst layer for a fuel cell according to one embodiment.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 촉매층(10)은 하부 표면(12)과 상부 표면(14)을 가지며, 상기 상부 표면은 제1 영역(A) 및 제2 영역(B)을 포함할 수 있다. 도 1은 서로 다른 영역으로 구분되어 텍스처화된 촉매층의 표면을 소개하기 위한 참고용일 뿐, 본 발명의 구현예가 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 도 1에 나타난 영역 종류의 수, 각 영역의 면적, 각 영역이 차지하는 비율, 각 영역의 높이, 영역 간의 높이 차이 등은 참고 사항일 뿐, 본 발명의 구현예를 한정하지 않는다.1, a
도 2는 일 구현예에 따른 연료 전지용 촉매층의 표면을 나타내는 평면도이다. 다시 말해, 도 2는 도 1에서 상부 표면(14)을 위에서 내려다봤을 때의 구조를 나타낸다.2 is a plan view showing a surface of a catalyst layer for a fuel cell according to one embodiment. In other words, FIG. 2 shows the structure when viewed from above the
도 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 촉매층의 표면은, 구체적으로 촉매층의 상부 표면(14)은 제1 영역(A) 및 제2 영역(B)을 포함할 수 있다. 도 2는 촉매층의 표면이 서로 다른 영역으로 구분되어 텍스처화된 구조의 설명을 돕기 위한 참고용일 뿐, 본 발명의 구현예가 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 도 2에 나타난 영역 종류의 수, 각 영역의 면적, 각 영역이 차지하는 비율 등은 참고 사항일 뿐, 본 발명의 구현예를 한정하지 않는다.Referring to FIG. 2, the surface of the catalyst layer according to one embodiment, specifically, the
상기 제1 영역(A)은 상기 제2 영역(B) 보다 이오노머 함유량이 적을 수 있다. 이오노머 함유량이 서로 다른 영역으로 구분하여 촉매층의 표면을 텍스처화한 구조로 형성할 경우, 하나의 촉매층 내에서도 각 영역 별로 서로 다른 기능이 부여됨으로써, 연료 공급, 물 배출, 수소이온 전달 및 전자 전달의 여러 기능을 하나의 촉매층 내에서 동시에 원활히 수행할 수 있다. 구체적으로, 이오노머 함유량이 상대적으로 적은 제1 영역에서는 연료의 원활한 공급과 물 배출이 이루어지며, 이오노머 함유량이 상대적으로 많은 제2 영역에서는 수소이온의 전달이 원활하게 이루어짐에 따라, 트레이드 오프 관계에 있는 여러 기능들이 동시에 원활하게 수행될 수 있다. The first region (A) may have a lower ionomer content than the second region (B). When the surface of the catalyst layer is formed into a textured structure by dividing the ionomer content into regions different from each other, different functions are assigned to each region even in one catalyst layer, so that various functions of fuel supply, water discharge, hydrogen ion transfer, Function can be performed simultaneously and smoothly in one catalyst layer. Specifically, in the first region where the ionomer content is relatively low, the fuel is supplied smoothly and the water is discharged. In the second region where the ionomer content is relatively large, the hydrogen ions are smoothly transferred, Several functions can be performed simultaneously and smoothly.
구체적으로, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역보다 이오노머 함유량이 2배 내지 10배, 예를 들면, 5배 내지 7배 적을 수 있다. 상기 비율 범위 내로 이오노머 함유량을 달리하는 경우 연료의 원활한 공급, 물 배출, 수소이온 전달 및 전자 전달의 여러 기능을 동시에 더욱 원활히 수행할 수 있고, 이에 따라 전지 성능이 우수한 연료 전지를 확보할 수 있다. Specifically, the ionomer content of the first region may be 2 to 10 times, for example, 5 to 7 times smaller than that of the second region. When the ionomer content is varied within the above range, various functions such as smooth fuel supply, water discharge, hydrogen ion transfer, and electron transfer can be performed more smoothly at the same time, thereby ensuring a fuel cell having excellent battery performance.
상기 제1 영역은 다공성일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 영역은 30 부피% 내지 70 부피%의 공극율, 예를 들면, 40 부피% 내지 60 부피%의 공극율을 가질 수 있다. 제1 영역이 상기 범위 내의 공극율을 가질 경우 연료 공급과 물 배출이 원활히 이루어짐으로써, 제2 영역에서의 기능과의 조화를 이룰 수 있다. The first region may be porous. Specifically, the first region may have a porosity of 30% by volume to 70% by volume, for example, a porosity of 40% by volume to 60% by volume. When the first region has the porosity within the above range, the fuel supply and the water discharge are smoothly performed, so that the function and the function in the second region can be achieved.
상기 제1 영역은 상기 촉매층 표면의 총 면적에 대하여, 구체적으로는, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 총 면적에 대하여, 10% 내지 50%로 촉매층 내에 포함될 수 있고, 예를 들면, 30% 내지 40%로 포함될 수 있다. 이오노머 함유량이 상대적으로 적은 제1 영역이 상기 범위 내의 면적으로 포함되는 경우 제2 영역과 적절한 면적 비를 가지게 되어, 연료 공급, 물 배출, 수소이온 전달 및 전자 전달의 여러 기능을 동시에 원활히 수행할 수 있으며, 이에 따라 전지 성능이 우수한 연료 전지를 구현할 수 있다. The first region may be contained in the catalyst layer in a proportion of 10% to 50% with respect to the total area of the surface of the catalyst layer, specifically, the total area of the first region and the second region. For example, % ≪ / RTI > to 40%. When the first region having a relatively small ionomer content is included in an area within the above range, it has an appropriate area ratio with the second region, so that various functions of fuel supply, water discharge, hydrogen ion transfer, Thus, a fuel cell having excellent cell performance can be realized.
상기 제1 영역(A)과 상기 제2 영역(B)은 서로 상기 촉매층의 하부 표면(12)으로부터의 높이 차이를 가질 수 있다. 다시 말해, 하나의 촉매층 내에서 제1 영역을 가지는 촉매층 부분과 제2 영역을 가지는 촉매층 부분은 서로 다른 높이를 가질 수 있다. 이는 촉매층의 표면이 골짜기 형태를 가지는 구조일 수 있다. 이오노머 함유량이 서로 다른 제1 영역과 제2 영역이 서로 높이 차이를 가지는 경우, 촉매층의 표면적을 증대시킴으로써 연료 전지의 출력밀도를 높이는 등 전지 성능을 향상시킬 수 있다. The first region A and the second region B may have a height difference from the
구체적으로, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 높이 차이는 1.0 ㎛ 내지 3.0 ㎛ 일 수 있고, 예를 들면, 1.5 ㎛ 내지 2.0 ㎛ 일 수 있다. 이오노머 함유량이 서로 다른 제1 영역과 제2 영역 간의 높이 차이가 상기 범위 내인 경우 촉매층의 표면적을 증대시킴으로써 연료 전지의 출력밀도를 높이는 등 전지 성능을 향상시킬 수 있다. Specifically, the height difference between the first region and the second region may be 1.0 탆 to 3.0 탆, and may be, for example, 1.5 탆 to 2.0 탆. When the height difference between the first region and the second region having different ionomer contents is within the above range, the surface area of the catalyst layer is increased, thereby improving the battery performance such as increasing the output density of the fuel cell.
더 구체적으로는, 이오노머 함유량이 상대적으로 적은 제1 영역이 제2 영역 보다 하부 표면으로부터 더 높은 곳에 위치할 수 있다. 다시 말해, 촉매층의 표면이 골짜기 형태를 가지는 구조에 있어서 탑(top) 부분은 상기 제1 영역이 될 수 있고, 밸리(valley) 부분은 상기 제2 영역이 될 수 있다. More specifically, the first region having a relatively low ionomer content may be located at a higher position from the bottom surface than the second region. In other words, in the structure in which the surface of the catalyst layer has a valley shape, the top portion may be the first region, and the valley portion may be the second region.
상기 촉매층은 촉매 및 이오노머를 포함할 수 있다.The catalyst layer may comprise a catalyst and an ionomer.
상기 촉매는 연료 전지의 반응에 참여하여 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 구체적으로는 금속 촉매, 예를 들면, 백금계 촉매를 사용할 수 있다. The catalyst may be any catalyst that can be used as a catalyst in the reaction of the fuel cell. Specifically, a metal catalyst such as a platinum catalyst may be used.
상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru로부터 선택되는 적어도 하나의 전이금속)로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다.As the platinum-based catalyst, platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, At least one transition metal selected from Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh and Ru).
연료 전지에서 애노드 전극과 캐소드 전극은 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화형 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 일산화탄소에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여 애노드 전극 촉매로 백금-루테늄 합금 촉매를 사용할 수 있다. In order to prevent the anode poisoning phenomenon due to carbon monoxide generated in the anode electrode reaction in the direct oxidation fuel cell, the anode electrode and the cathode electrode may be made of a platinum- Ruthenium alloy catalyst may be used.
상기 상기 백금계 촉매의 구체적인 예로는, Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W 로부터 선택되는 적어도 하나를 들 수 있다. The Pt / Ni / Pt / Mo / Pt / Pd / Pt / Fe / Pt / Cr / Pt / Co catalysts are examples of the platinum catalysts. At least one selected from Ru / W, Pt / Ru / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni and Pt / Ru / Sn /
상기 금속 촉매는 금속 촉매 자체로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 상기 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있다. 이들 중 탄소계 물질이 주로 사용되고 있다.The metal catalyst may be used as the metal catalyst itself or may be supported on a carrier. Examples of the carrier include carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, and activated carbon, or alumina, silica, zirconia, Inorganic fine particles such as titania may be used. Of these, carbon-based materials are mainly used.
상기 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 상기 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 상기 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.When a noble metal supported on the support is used as a catalyst, a commercially available commercially available noble metal may be used, or a noble metal may be supported on the support to be used. Since the process of supporting the noble metal on the carrier is well known in the art, a detailed description thereof is omitted herein, and it is easily understandable to those skilled in the art.
상기 이오노머는 촉매층의 접착력 향상 및 수소이온의 전달을 위해 사용될 수 있다.The ionomer may be used for improving adhesion of the catalyst layer and for transferring hydrogen ions.
상기 이오노머는 수소이온 전도성을 가지는 고분자 수지를 사용할 수 있고, 구체적으로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로부터 선택되는 적어도 하나의 양이온 교환기를 가지는 고분자 수지를 모두 사용할 수 있다. 구체적으로, 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로부터 선택되는 적어도 하나의 고분자 수지를 사용할 수 있다. 예를 들면, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸[poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole] 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로부터 선택되는 적어도 하나의 고분자 수지를 사용할 수 있다.The ionomer may be a polymer resin having hydrogen ion conductivity, specifically, a polymer resin having at least one cation-exchange group selected from a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, Can be used. Specifically, a fluorine-based polymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, a polyether sulfone-based polymer, a polyether ketone- -Ether ketone-based polymer and polyphenylquinoxaline-based polymer may be used. For example, poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid group, sulfated polyether ketone, aryl ketone, poly (2 , 2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole and poly (2,5-benzimidazole) May be used.
상기 수소이온 전도성을 가지는 고분자 수지는 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.In the polymer resin having hydrogen ion conductivity, H may be substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in the cation exchanger at the side chain terminal. In the case of replacing H with Na in the ion exchange group at the side chain terminal, NaOH is substituted in the preparation of the catalyst composition and tetrabutylammonium hydroxide is used in the case of replacing with tetrabutylammonium, and K, Li or Cs is also substituted with a suitable compound . ≪ / RTI > Since this substitution method is well known in the art, a detailed description thereof will be omitted in this specification.
상기 이오노머는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 상기 비전도성 화합물의 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다. The ionomer may be used singly or in the form of a mixture, and may optionally be used together with a nonconductive compound for the purpose of further improving the adhesion with the polymer electrolyte membrane. The amount of the nonconductive compound to be used is preferably adjusted to suit the intended use.
상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(sorbitol)로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다.Examples of the nonconductive compound include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoro (PVdF-HFP), dodecyltrimethoxysilane (DMSO), ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), ethylene chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer At least one selected from silbenzenesulfonic acid and sorbitol can be used.
상기 이오노머는 상기 촉매층의 총량에 대하여 15 내지 50 중량%로 포함될 수 있고, 예를 들면, 20 내지 40 중량%로 포함될 수 있다. 상기 이오노머가 상기 범위 내로 포함되는 경우 촉매층의 접착력이 향상되고 수소이온의 전달 효율이 증가한다. The ionomer may be contained in an amount of 15 to 50% by weight based on the total amount of the catalyst layer, for example, 20 to 40% by weight. When the ionomer is contained within the above range, the adhesion of the catalyst layer is improved and the hydrogen ion transfer efficiency is increased.
이하, 일 구현예에 따른 촉매층의 제조 방법에 대해 도 3을 참고하여 설명한다. 도 3은 촉매층의 제조 방법의 이해를 돕기 위한 참고 도면일 뿐, 도 3에 나타낸 촉매층 구조 등으로 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한 도 3은 일 구현예에 따른 측매층의 제조 방법의 일 예를 제시한 것일 뿐, 촉매층의 제조 방법이 이에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, a method of manufacturing a catalyst layer according to one embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a view for helping understanding of the method of manufacturing the catalyst layer, and the present invention is not limited to the catalyst layer structure shown in FIG. Also, FIG. 3 shows an example of a manufacturing method of a side layer according to one embodiment, and the manufacturing method of the catalyst layer is not limited thereto.
전술한 표면 구조를 가지는 촉매층은 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다. The catalyst layer having the above-described surface structure can be produced by the following method.
우선, (a) 기재 필름을 준비한다. 상기 기재 필름은 형성하고자 하는 촉매층 재료인 이오노머와 친화성이 좋지 않은 물질로 만들 수 있다. 예를 들면, 폴리이미드 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름 등을 들 수 있다. First, (a) a base film is prepared. The base film may be made of a material having poor compatibility with the ionomer which is the catalyst layer material to be formed. Examples thereof include polyimide films and polyethylene terephthalate films .
이어서, (b) 상기 기재 필름 위에 코팅층을 형성한다. 코팅층 형성 과정은 촉매층 표면의 텍스처 구조를 형성하기 위해 수행된다. 상기 코팅층은 형성하고자 하는 촉매층 재료인 이오노머와 친화성이 좋은 물질로 만들 수 있다. 예를 들면, 불소계 고분자, 실리콘계 고분자 등을 들 수 있고, 상기 불소계 고분자는 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(FEP) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 코팅 방법은 습식법 등을 이용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로, 습식법을 이용하여 두께와 재료 농도를 조절하여 골짜기 형태를 가지는 텍스처 구조로 코팅층을 형성할 수 있다. 코팅층의 두께는 예컨대 5㎛ 내지 50㎛의 범위 내로 조절할 수 있고, 재료의 농도는 예컨대 5 중량% 내지 100 중량%의 범위 내로 조절할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.Next, (b) a coating layer is formed on the base film. The coating layer formation process is performed to form the texture structure of the surface of the catalyst layer. The coating layer may be made of a material having good affinity with the ionomer which is the catalyst layer material to be formed. For example, a fluorine-based polymer, a silicon-based polymer, and the like can be enumerated, and the fluorine-based polymer may include fluorinated ethylene propylene (FEP) and the like, but is not limited thereto. The coating method may be a wet method or the like, but is not limited thereto. Specifically, the coating layer can be formed with a texture structure having a valley shape by adjusting the thickness and the material concentration using a wet method. The thickness of the coating layer can be adjusted within a range of, for example, 5 탆 to 50 탆, and the concentration of the material can be adjusted within a range of, for example, 5% by weight to 100% by weight.
이어서, (c) 형성된 코팅층 위에 촉매층을 형성한 다음, (d) 형성된 촉매층을 막(membrane) 위에 전사시킨다. 막 위에 전사시키는 방법은 열과 압력에 의해 데칼 라미네이션(decal lamination) 방법, 롤 라미네이션(roll lamination) 방법으로 수행할 수 있다. Next, (c) a catalyst layer is formed on the formed coating layer, and (d) the formed catalyst layer is transferred onto a membrane. The method of transferring onto the film can be performed by heat and pressure by a decal lamination method or a roll lamination method.
이어서, (e) 막 위에 전사된 촉매층에서 상기 기재 필름을 제거함으로써, 표면이 골짜기 형태를 가지는 텍스처 구조의 촉매층을 형성할 수 있다. Subsequently, (e) removing the base film from the catalyst layer transferred onto the membrane, a catalyst layer having a textured structure having a valley shape on the surface can be formed.
이하, 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극에 대해 설명한다.Hereinafter, an electrode for a fuel cell including the catalyst layer will be described.
상기 연료 전지용 전극은 전극 기재, 그리고 상기 전극 기재 위에 형성된 촉매층을 포함한다. The electrode for a fuel cell includes an electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate.
상기 촉매층은 전술한 바와 같다.The catalyst layer is as described above.
상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. The electrode substrate plays a role of supporting the electrode and diffusing the fuel and the oxidant into the catalyst layer to facilitate the access of the fuel and the oxidant to the catalyst layer.
상기 전극 기재는 도전성 기재를 사용하며, 구체적으로는 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름이나 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electrode substrate may be formed of a conductive substrate, and specifically, a porous film or polymer fiber composed of a carbon paper, a carbon cloth, a carbon felt, or a metal cloth A metal film is formed on the surface of the cloth formed with the metal film), but the present invention is not limited thereto.
상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용할 수 있는데, 이 경우 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다. The electrode substrate may be water repellent with a fluorine-based resin. In this case, it is possible to prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered due to water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxyvinyl ether, fluorinated ethylene propylene (fluorinated ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene, or copolymers thereof.
상기 연료 전지용 전극은 상기 전극 기재와 상기 촉매층 외에도, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위해 미세기공층(microporous layer)을 더 포함할 수 있다. In addition to the electrode substrate and the catalyst layer, the electrode for a fuel cell may further include a microporous layer for enhancing a reactant diffusion effect in the electrode substrate.
상기 미세기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어, 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. The microporous layer is generally made of a conductive powder having a small particle diameter such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, nano-horn or a carbon nano ring.
이하, 또 다른 일 구현예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 대해 도 4를 참고하여 설명한다.Hereinafter, a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to another embodiment will be described with reference to FIG.
도 4는 일 구현예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리(MEA)를 나타낸 개략도이다. 4 is a schematic view showing a membrane-electrode assembly (MEA) for a fuel cell according to one embodiment.
도 4를 참고하면, 연료 전지용 막-전극 어셈블리(20)는 고분자 전해질 막(25), 그리고 상기 고분자 전해질 막(25)의 양면에 각각 위치하는 캐소드 전극(21) 및 애노드 전극(22)을 포함한다.4, the membrane-
상기 캐소드 전극(21)과 상기 애노드 전극(22) 중 적어도 하나는 전술한 연료 전지용 전극을 사용한다. At least one of the
상기 고분자 전해질 막(25)은 두께가 10 내지 200 ㎛인 고체 고분자 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.The
상기 고분자 전해질 막(25)은 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며 수소이온 전도성을 가지는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 구체적인 예로는, 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로부터 선택되는 적어도 하나의 양이온 교환기를 가지는 고분자 수지를 들 수 있다. The
상기 고분자 수지의 구체적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로부터 선택되는 적어도 하나를 들 수 있고, 더욱 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로술폰산)(나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리[(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸][poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole] 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로부터 선택되는 적어도 하나를 들 수 있다.Specific examples of the polymer resin include fluorine-based polymers, benzimidazole-based polymers, polyimide-based polymers, polyetherimide-based polymers, polyphenylene sulfide-based polymers, polysulfone-based polymers, polyether sulfone- (Perfluorosulfonic acid) (commercially available from Nafion), poly (perfluoro (meth) acrylate, perfluoro (meth) acrylate and the like), poly Carboxylic acid), a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing a sulfonic acid group, a dehydrofluorinated sulfated polyether ketone, an aryl ketone, poly [(2,2'-m-phenylene) -5,5 '-Bibenzimidazole] [poly (2,2' - (m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole] and poly (2,5-benzimidazole).
이하, 또 다른 일 구현예에 따른 연료 전지에 대해 도 5 및 6을 참고하여 설명한다. Hereinafter, a fuel cell according to another embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG.
도 5 및 6은 연료 전지의 일 예를 보여주는 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 5 and 6 show an example of the fuel cell, but the present invention is not limited thereto.
도 5는 일 구현예에 따른 연료 전지의 전체적인 구성을 도시한 개략도이고, 도 6은 일 구현예에 따른 연료 전지의 스택을 도시한 분해 사시도이다.FIG. 5 is a schematic view showing the overall structure of a fuel cell according to an embodiment, and FIG. 6 is an exploded perspective view showing a stack of fuel cells according to an embodiment.
도 5 및 6을 참고하면, 일 구현예에 따른 연료 전지(100)는 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부(110), 상기 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 발생시키는 개질부(120), 개질부로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스가 산화제와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택(130), 및 산화제를 상기 개질부(120) 및 스택(130)으로 공급하는 산화제 공급부(140)를 포함한다. 5 and 6, the
상기 스택(130)은 상기 개질부(120)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 공급부(140)로부터 공급되는 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀(131)을 구비한다.The
각각의 단위 셀(131)은 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하는 것으로서, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 어셈블리(132)와, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제를 막-전극 어셈블리(132)로 공급하기 위한 세퍼레이터(또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고도 함)(133)를 포함한다. 상기 세퍼레이터(133)는 막-전극 어셈블리(132)를 중심에 두고, 그 양측에 배치된다. 이때, 상기 스택의 최외측에 각각 위치하는 세퍼레이터를 특별히 엔드 플레이트라 칭하기도 한다. 상기 막-전극 어셈블리(132)는 전술한 바와 같다. Each unit cell 131 refers to a unit cell that generates electricity. The unit cell 131 includes a membrane-
상기 세퍼레이터(133) 중 엔드 플레이트에는 상기 개질부(120)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관과, 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관이 구비되고, 다른 하나의 엔드 플레이트에는 복수의 단위 셀(131)에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 외부로 배출시키기 위한 제1 배출관과, 상기한 단위 셀(131)에서 최종적으로 미반응되고 남은 산화제를 외부로 배출시키기 위한 제2 배출관이 구비된다.
The end plate of the
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the examples.
실시예 1Example 1
물과 디프로필렌글리콜을 50:50 중량비로 혼합한 용매에, PtRu/C 촉매를 0.05 mg/cm2 양으로 첨가하고, 이오노머로서 15 중량% 농도의 아사이카세이(Asahi kasei)를 상기 촉매 100 중량부에 대하여 37 중량부의 양으로 첨가하여, 애노드 촉매층 조성물을 제조하였다. 또한, 물과 디프로필렌글리콜을 50:50 중량비로 혼합한 용매에, PtCo/C 촉매를 0.25 mg/cm2의 양으로 첨가하고, 이오노머로서 15 중량% 농도의 나피온(Nafion® Dupont사)과 15 중량% 농도의 아사이카세이(Asahi kasei)를 1:1의 중량비로 첨가하여, 캐소드 촉매층 조성물을 제조하였다. 이때 상기 이오노머는 상기 촉매 100 중량부에 대하여 37 중량부의 양으로 첨가하였다.A PtRu / C catalyst was added in an amount of 0.05 mg / cm < 2 > to a solvent in which water and dipropylene glycol were mixed in a weight ratio of 50:50. Asahi kasei, which had a concentration of 15% by weight as an ionomer, Was added in an amount of 37 parts by weight based on the total weight of the anode catalyst layer composition. In addition, water and di-propylene glycol in a solvent mixture in a weight ratio of 50: 50, PtCo / C catalyst to 0.25 mg / cm 2 and added in an amount of, and Nafion (Nafion ® Dupont Co.) of 15 wt% concentration as an ionomer (Asahi Kasei) at a weight ratio of 1: 1 at a concentration of 15% by weight to prepare a cathode catalyst layer composition. At this time, the ionomer was added in an amount of 37 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst.
폴리이미드 기재 필름 위에, 11 중량% 농도의 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(FEP)을 습식법으로 코팅함으로써, 표면에 골짜기 형태를 갖는 텍스처 구조의 코팅층을 형성하였다. 구체적으로 코팅층의 표면에서 골짜기 형태를 가지는 텍스처 구조는 탑(top) 부분의 제1 영역과 밸리(valley) 부분의 제2 영역으로 구분하며, 이때 제1 영역에서의 코팅층의 두께는 1.5 ㎛가 되도록 형성하였다. 이어서, 상기 코팅층 위에 상기 애노드 촉매층 조성물 및 상기 캐소드 촉매층 조성물을 코팅하여 각각의 촉매층을 형성하였다. 이후, 상기 각각의 촉매층을 상업용 플루오로카본계 고분자 전해질 막의 양면에 데칼 라미네이션(decal lamination) 방법으로 전사시킨 다음, 상기 기재 필름을 제거함으로써, 텍스처 구조의 표면을 가진 CCM(catalyst coated membrane)을 형성하였다. On the polyimide base film, fluorinated ethylene propylene (FEP) at a concentration of 11% by weight was coated by a wet method to form a coating layer having a textured structure having a valley shape on the surface. Specifically, the texture structure having a valley shape on the surface of the coating layer is divided into a first region of the top portion and a second region of the valley portion, wherein the thickness of the coating layer in the first region is 1.5 占 퐉 . Then, the anode catalyst layer composition and the cathode catalyst layer composition were coated on the coating layer to form respective catalyst layers. Thereafter, each of the catalyst layers is transferred to both surfaces of the commercial fluorocarbon-based polymer electrolyte membrane by a decal lamination method, and then the base film is removed to form a catalyst coated membrane (CCM) having a textured surface Respectively.
상기 촉매층이 고분자 전해질 막의 양면에 결착되어 형성된 CCM(catalyst coated membrane)의 양면에 EPL(edge protection Layer) 필름을 위치시켜 캐소드 전극과 애노드 전극이 고분자 전해질 막의 양면에 결착된 막-전극 어셈블리를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared in which an EPL (edge protection layer) film was placed on both sides of a catalyst coated membrane (CCM) formed by bonding the catalyst layer to both sides of a polymer electrolyte membrane, and a cathode electrode and an anode electrode were bound to both surfaces of the polymer electrolyte membrane .
상기 막-전극 어셈블리를 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후, 일정 형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 분리판에 삽입하여 단위 전지를 제조하였다.After inserting the membrane-electrode assembly between gaskets, the unit cell was prepared by inserting the membrane-electrode assembly into two separating plates formed with gas channel channels and cooling channels of a predetermined shape.
비교예 1Comparative Example 1
실시예 1에서 제조된 애노드 촉매층 조성물 및 캐소드 촉매층 조성물을 각각 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(FEP) 기재 필름 위에 코팅한 후 상업용 플루오로카본계 고분자 전해질 막의 양면에 전사시켜 CCM(catalyst coated membrane)을 형성한 후, 그 양면에 EPL(edge protection Layer) 필름을 위치시켜 캐소드 전극과 애노드 전극이 고분자 전해질 막의 양면에 결착된 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 상기 막-전극 어셈블리를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 단위 전지를 제조하였다.
The anode catalyst layer composition and the cathode catalyst layer composition prepared in Example 1 were each coated on a fluorinated ethylene propylene (FEP) base film and transferred to both sides of a commercial fluorocarbon-based polymer electrolyte membrane to form a catalyst coated membrane (CCM) Thereafter, an EPL (edge protection layer) film was placed on both sides thereof to prepare a membrane-electrode assembly in which a cathode electrode and an anode electrode were bound to both sides of a polymer electrolyte membrane. A unit cell was fabricated in the same manner as in Example 1 using the membrane-electrode assembly.
평가 1: 촉매층의 SEM 분석Evaluation 1: SEM analysis of the catalyst layer
도 7a 및 도 7b는 각각 비교예 1 및 실시예 1에 따른 촉매층을 위에서 내려다본 주사전자현미경(SEM) 사진으로서, 500 배율을 나타낸다. 도 7a 및 7b를 참고하면, 비교예 1에서 제조된 촉매층은 그 표면이 균일하고 단일 영역으로 이루어지는 반면, 실시예 1에서 제조된 촉매층은 그 표면이 서로 다른 영역으로 구분된 텍스처 구조를 가짐을 알 수 있다.7A and 7B are scanning electron microscope (SEM) photographs of a catalyst layer according to Comparative Example 1 and Example 1, respectively, viewed from above, showing a magnification of 500. FIG. 7A and 7B, it can be seen that the catalyst layer prepared in Comparative Example 1 has a uniform surface and a single region, whereas the catalyst layer prepared in Example 1 has a texture structure in which the surface is divided into different regions .
도 8a 및 도 8b는 각각 비교예 1 및 실시예 1에 따른 촉매층의 측면을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도 8a 및 8b를 참고하면, 비교예 1에서 제조된 촉매층의 표면은 평평한 반면, 실시예 1에서 제조된 촉매층의 표면은 서로 다른 영역으로 구분된 골짜기 형태를 가지는 텍스처 구조임을 알 수 있다.8A and 8B are scanning electron microscope (SEM) photographs showing side surfaces of the catalyst layers according to Comparative Examples 1 and 1, respectively. 8A and 8B, it can be seen that the surface of the catalyst layer prepared in Comparative Example 1 is flat, whereas the surface of the catalyst layer prepared in Example 1 is a texture structure having a valley shape divided into different regions.
도 9a 및 도 9b는 각각 비교예 1 및 실시예 1에 따른 촉매층의 측면에서 높이 차이를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도 9a 및 9b를 참고하면, 실시예 1의 촉매층의 경우, 골짜기 형태를 갖는 표면 구조에서 제1 영역이 제2 영역보다 하부 표면으로부터의 높이가 더 높게 형성됨을 알 수 있고, 구체적으로는 그 높이 차이가 약 1.5㎛ 임을 알 수 있다. 반면, 비교예 1에서의 높이 차이는 약 0.1㎛ 이었다. 이로부터, 일 구현예에 따른 촉매층의 표면은 탑(top) 부분과 밸리(valley) 부분을 가지는 골짜기 형태의 텍스처 구조로 형성됨을 알 수 있다. FIGS. 9A and 9B are scanning electron microscope (SEM) photographs showing the height difference on the side of the catalyst layer according to Comparative Example 1 and Example 1, respectively. 9A and 9B, it can be seen that, in the case of the catalyst layer of Example 1, in the surface structure having a valley shape, the first region is formed to have a higher height from the lower surface than the second region, The difference is about 1.5 탆. On the other hand, the height difference in Comparative Example 1 was about 0.1 mu m. It can be seen from this that the surface of the catalyst layer according to one embodiment is formed into a valley-like texture structure having a top portion and a valley portion.
도 10은 실시예 1에 따른 촉매층을 위에서 내려다본 주사전자현미경(SEM) 사진으로서, 10000 배율을 나타낸다. 도 10을 참고하면, 실시예 1에 따른 촉매층의 표면 구조에서 상기 탑 부분의 제1 영역은 상기 밸리 부분의 제2 영역보다 이오노머 함유량이 적음을 확인할 수 있다. 이와 관련하여, SEM 표면에 이오노머로 덮힌 면적을 계산한 결과, 제1 영역은 제2 영역보다 이오노머 함유량이 5배 적은 것으로 나타났다. 10 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the catalyst layer according to Example 1 taken from above and showing a magnification of 10,000. Referring to FIG. 10, it can be seen that the first region of the top portion in the surface structure of the catalyst layer according to Example 1 has a lower ionomer content than the second region of the valley portion. In this regard, the area covered by the ionomer on the SEM surface was calculated, and as a result, the ionomer content of the first region was five times smaller than that of the second region.
또한 SEM 표면의 제1 영역이 차지하는 면적을 계산한 결과, 이오노머 함유량이 상대적으로 적은 제1 영역은 촉매층 표면의 총 면적에 대하여 30%를 차지함을 알 수 있다. As a result of calculating the area occupied by the first region of the SEM surface, it can be seen that the first region in which the ionomer content is relatively small occupies 30% of the total area of the surface of the catalyst layer.
또한 도 10을 참고하면, 이오노머 함유량이 상대적으로 적은 제1 영역은 제2 영역 대비 다공성임을 확인할 수 있다. 이와 관련하여, 촉매층의 공극율을 SEM 표면의 공극 사이즈로 측정한 결과, 제1 영역의 공극율은 40 부피% 이고 제2 영역의 공극율은 10 부피% 인 것으로 나타났다.
Also, referring to FIG. 10, it can be seen that the first region having a relatively small ionomer content is porous compared to the second region. In this regard, the porosity of the catalyst layer was measured by the pore size of the surface of the SEM. As a result, it was found that the porosity of the first region was 40 vol% and the porosity of the second region was 10 vol%.
평가 2: 전극 평가 후 해체된 촉매층의 SEM 분석Evaluation 2: SEM analysis of disassociated catalyst layer after electrode evaluation
도 11a 및 도 11b는 실시예 1에 따라 각각 애노드 및 캐소드 전극 평가 후 해체된 촉매층의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.11A and 11B are scanning electron microscope (SEM) photographs of the catalyst layers disassembled after evaluation of anode and cathode electrodes, respectively, according to Example 1. Fig.
도 11a 및 11b를 참고하면, 실시예 1에서 제조된 전극 해체 후의 촉매층 또한 그 표면이 서로 다른 영역으로 구분된 텍스처 구조를 가짐을 확인할 수 있고, 구체적으로는 높이 차이를 가지는 탑 부분과 밸리 부분을 가지는 골짜기 형태의 텍스처 구조를 가짐을 확인할 수 있다.11A and 11B, it can be seen that the catalyst layer after the electrode disassembly manufactured in Example 1 also has a textured structure in which the surfaces thereof are divided into different regions, and specifically, the top portion and the valley portion It can be confirmed that the branch has a texture structure in the form of a valley.
평가 3: 연료 전지의 성능Evaluation 3: Fuel cell performance
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 단위 전지를 H2/공기(λ 1.5/2.0)를 연료로 사용하여 65℃에서 비가압 운전하여 전지 특성을 평가하였다. 그 결과를 도 12에 나타내었고, 상대 습도가 50%인 경우 및 100% 인 경우 각각에 대하여 결과를 나타내었다. The unit cells prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were subjected to a non-pressure operation at 65 캜 using H 2 / air (λ 1.5 / 2.0) as a fuel to evaluate battery characteristics. The results are shown in FIG. 12, and the results are shown for 50% relative humidity and 100% relative humidity, respectively.
도 12는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료 전지의 성능 평가 결과를 나타낸 그래프이다.12 is a graph showing the results of performance evaluation of the fuel cell according to Example 1 and Comparative Example 1. Fig.
도 12를 참고하면, 상대 습도가 50%인 조건과 100%인 조건에서 전지를 작동시킨 결과, 각각의 경우 실시예 1은 비교예 1 대비 동일 전류 밀도에서 전압이 더 높게 나타났다. 이로부터, 실시예 1의 촉매층을 적용한 연료 전지는 비교예 1 대비 전지 성능이 보다 우수함을 알 수 있다.Referring to FIG. 12, when the battery was operated under the condition of relative humidity of 50% and the condition of 100%, in each case, the voltage of Example 1 was higher than that of Comparative Example 1 at the same current density. From this, it can be seen that the fuel cell to which the catalyst layer of Example 1 was applied had better cell performance than that of Comparative Example 1.
10: 촉매층
12: 하부 표면
14: 상부 표면
20, 132: 막-전극 어셈블리
21: 캐소드 전극
22: 애노드 전극
25: 고분자 전해질 막
100: 연료 전지
110: 연료 공급부
120: 개질부
130: 스택
131: 단위 셀
133: 세퍼레이터
140: 산화제 공급부10: catalyst layer
12: Lower surface
14: upper surface
20, 132: membrane-electrode assembly
21: cathode electrode
22: anode electrode
25: Polymer electrolyte membrane
100: Fuel cell
110: fuel supply unit
120:
130: stack
131: Unit cell
133: Separator
140: oxidant supplier
Claims (9)
상기 상부 표면은 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고,
상기 제1 영역은 상기 제2 영역 보다 이오노머 함유량이 적고,
상기 제1 영역은 상기 상부 표면의 총 면적에 대하여 10% 내지 50%로 포함되는 연료 전지용 촉매층.Having a top surface and a bottom surface,
Wherein the upper surface comprises a first region and a second region,
Wherein the first region has a smaller ionomer content than the second region,
Wherein the first region comprises 10% to 50% of the total area of the upper surface.
상기 제1 영역은 상기 제2 영역보다 이오노머 함유량이 2배 내지 10배 적은 연료 전지용 촉매층.The method of claim 1,
Wherein the first region has an ionomer content 2 to 10 times larger than the second region.
상기 제1 영역은 다공성인 연료 전지용 촉매층.The method of claim 1,
Wherein the first region is porous.
상기 제1 영역은 30 부피% 내지 70 부피%의 공극율을 가지는 연료 전지용 촉매층.The method of claim 1,
Wherein the first region has a porosity of 30% by volume to 70% by volume.
상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 서로 상기 하부 표면으로부터의 높이 차이를 가지는 연료 전지용 촉매층.The method of claim 1,
Wherein the first region and the second region have a height difference from the lower surface.
상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 높이 차이는 1.0 ㎛ 내지 3.0 ㎛ 인 연료 전지용 촉매층.The method of claim 5,
Wherein a height difference between the first region and the second region is 1.0 占 퐉 to 3.0 占 퐉.
상기 제1 영역은 상기 제2 영역 보다 상기 하부 표면으로부터 더 높은 곳에 위치하는 연료 전지용 촉매층.The method of claim 1,
Wherein the first region is located at a higher level from the lower surface than the second region.
상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극의 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,
상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극은 각각
전극 기재, 그리고
상기 전극 기재 위에 위치하고 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 촉매층을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리. A cathode electrode and an anode electrode facing each other; And
And a polymer electrolyte membrane disposed between the cathode electrode and the anode electrode,
The cathode electrode and the anode electrode
Electrode substrate, and
The membrane-electrode assembly for a fuel cell according to any one of claims 1 to 7, which is located on the electrode substrate.
상기 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 발생시키는 개질부;
제8항의 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하고, 개질부로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스가 산화제와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택; 및
산화제를 상기 개질부 및 스택으로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지.A fuel supply unit for supplying a mixed fuel in which fuel and water are mixed;
A reforming unit for reforming the mixed fuel to generate a reformed gas containing hydrogen gas;
A stack comprising a membrane-electrode assembly according to claim 8 and a separator positioned on both sides of the membrane-electrode assembly, wherein a reforming gas containing hydrogen gas supplied from the reforming unit causes an electrochemical reaction with the oxidizing agent to generate electric energy ; And
And an oxidant supply part for supplying the oxidant to the reforming part and the stack.
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KR20200013994A (en) | 2018-07-31 | 2020-02-10 | 주식회사 엘지화학 | Catalyst composition for fuel cell, manufacturing method for same, membrane-electrode assembly and fuel cell |
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